電路識(shí)圖-整流電路-濾波電路原理解析

整流濾波電路原理分析

整流濾波電路是常用的單元電路之一。整流濾波電路的主要功能和作用是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟Ｊ褂米疃嗟氖请娫凑麟娐罚鼘⒔涣?20V市電電源降壓、整流、濾波為合適的直流電壓，作為電子電路的工作電源，整流濾波電路通常由整流電路和濾波電路兩部分組成。

一、整流電路

整流電路的關(guān)鍵問(wèn)題是利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒔涣麟妷鹤儞Q成單相脈動(dòng)電壓。單相整流電路可分半波整流、全波整流、橋式整流、倍壓整流等電路形式。由于半波整流電路只在電源的半個(gè)周期工作，電源利用率低，輸出波形脈動(dòng)較大，且電路簡(jiǎn)單，實(shí)際很少使用。

1. 半波整流電路

半波整流電路是最簡(jiǎn)單、最基本的整流電路，如下圖所示，由電源變壓器T、整流二極管VD組成，RL是負(fù)載電阻。電源變壓器T的初級(jí)線圈L1接交流電源電壓（通常為交流220V市電），經(jīng)過(guò)變壓器T，在其次級(jí)線圈L2兩端得到所需要的交流電壓，再經(jīng)二極管VD整流成為直流電壓。半波整流電路的工作過(guò)程如下:

1)在交流電壓正半周時(shí)，U2的極性為上正下負(fù)，如下圖a)所示。我們知道，二極管具有單向?qū)щ娦裕措娏髦荒軓恼龢O流向負(fù)極。U2正半周時(shí)，整流二極管VD是加的正向電壓，因此VD導(dǎo)通，電流由U2的“+”經(jīng)整流二極管VD、負(fù)載電阻RL回到U2的“-”，形成回路，并在電阻RL上產(chǎn)生電壓降(即為輸出電壓)，其極性為上正下負(fù)。

2)在交流電壓負(fù)半周時(shí)，U2的極性為上負(fù)下正，如下圖b)所示。這時(shí)，整流二極管VD加的是反向電壓，因此，VD截止，電流I=0，負(fù)載電阻RL上無(wú)電壓降，輸出電壓為0。

半波整流電路工作波形如下圖所示，從圖中可見(jiàn)，半波整流電路只有在交流電壓正半周時(shí)才有輸出電壓，負(fù)半周時(shí)無(wú)輸出電壓，輸出電壓的直流分量較少，交流分量較多。由于只利用了交流電壓正弦波的一半，所以半波整流電路的效率較低。

2. 全波整流電路

為了提高整流效率、減少輸出電壓的脈動(dòng)分量，往往采用全波整流電路。全波整流電路實(shí)際上是兩個(gè)半波整流電路的組合，電路如下圖所示。

電源變壓器T的次級(jí)繞組圈數(shù)為半波整流時(shí)的兩倍，且中心抽頭，分為L(zhǎng)2與L3兩個(gè)部分。電路中采用了兩個(gè)整流二極管VD1和VD2。當(dāng)電源變壓器T初級(jí)線圈L1接入交流電源時(shí)，在次級(jí)線圈L2與L3上則分別產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、相位相反的交流電壓。

1)在交流電壓正半周時(shí)，U2與U3均為上正下負(fù)，如下圖a)所示，U2對(duì)于整流二極管VD1而言是正向電壓，因此VD1導(dǎo)通，電流經(jīng)VD1流過(guò)負(fù)載電阻RL，RL上電壓為上正下負(fù)，而U3對(duì)于整流二極管VD2而言是反向電壓，因此VD2截止。

2)在交流電負(fù)半周時(shí)，U2與U3均為上負(fù)下正，如下圖b)所示，這時(shí)，U2對(duì)于VD1而言是反向電壓，因此VD1截止，U3對(duì)于VD2來(lái)說(shuō)是正向電壓，因此CD2導(dǎo)通，電流經(jīng)VD2流過(guò)負(fù)載電阻RL，RL上的電壓仍為上正下負(fù)。

綜上所述，在交流電正半周期間，整流二極管VD1導(dǎo)通，由次級(jí)電壓U2相負(fù)載電阻供電，在交流電壓負(fù)半周期間，整流二極管VD2導(dǎo)通，由次級(jí)電壓U3向負(fù)載電阻供電，由于U2與U3大小相等，相位相反，所以交流電壓的正、負(fù)半周均在負(fù)載電阻上得到利用。全波整流電路波形如下圖所示。從波形圖可見(jiàn)，全波整流電路利用了輸入交流電壓的整個(gè)正弦波，因此其輸出電流和輸出電壓的脈動(dòng)頻率為半波整流時(shí)的兩倍，其中的直流分量也是半波整流時(shí)的兩倍，整流效率大大提高。

3. 橋式整流電路

全波整流的另一電路形式是橋式整流，電路如下圖所示。橋式整流電路雖然需要四只整流二極管，但是電源變壓器次級(jí)繞組不必繞兩倍圈數(shù)，也不必有中心抽頭，制作更為方便，因此得到了非常廣泛的應(yīng)用。

橋式整流電路工作過(guò)程如下:

1)交流電壓正半周時(shí)，電源變壓器次級(jí)電壓U2的極性為上正下負(fù)，四只整流二極管中，VD1，VD4因所加電壓為反向電壓而截至; VD2，VD3因所加電壓為正向電壓而導(dǎo)通，電流如下圖a)所示，流過(guò)負(fù)載電阻，在負(fù)載電阻上產(chǎn)生電壓降(即為輸出電壓)，電壓極性為上正下負(fù)。

2)交流電壓負(fù)半周時(shí)，電源變壓器次級(jí)電壓的極性為上負(fù)下正，四只整流管中，VD2，VD3因所加電壓為反向電壓而截至，VD1，VD4因所加電壓為正向電壓而導(dǎo)通，電流如下圖b)所示流過(guò)負(fù)載電阻，在負(fù)載電阻上產(chǎn)生電壓降(即為輸出電壓)，電壓極性仍為上正下負(fù)。

由于四只整流二極管巧妙的輪流工作，使得交流電壓的正負(fù)半周均在負(fù)載電阻上得到了利用，從而實(shí)現(xiàn)了全波整流，其工作波形與全波整流電路波形相同。

二、濾波電路

整流電路輸出的是直流脈動(dòng)電壓，這種脈動(dòng)直流電中，不僅包含有直流成分，而且有交流成分，而我們需要的是直流分量，因此必須把脈動(dòng)直流中的交流分量去掉。從阻抗觀點(diǎn)看，電感線圈的直流電阻很小，而交流阻抗很大；電容器的直流電阻很大，而交流電阻很小。若結(jié)合起來(lái)就能很好地濾去交流分量，留下需要的直流量。這種組合就是濾波器，常用的濾波器有下面幾種形式。必須用濾波電路濾除其交流成分后，才能得到平滑實(shí)用的直流電壓。濾波電路由許多種類，如電容濾波電路、電感濾波電路、倒L型LC濾波電路，

由于電感元件體大笨重，而且在負(fù)載電流突然變換時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，易造成半導(dǎo)體管的損壞，所以在實(shí)際電路中通常使用電容濾波電路和RC濾波電路，在一些要求較高的電路中，還使用有源濾波電路。

1、電容濾波電路

電容濾波電路如下圖所示，就是在負(fù)載兩端并聯(lián)一只電容組成。

電容濾波器的工作原理: 利用了電容兩端電壓不能突變的特性。其工作過(guò)程可用如下圖所示的示意圖進(jìn)行說(shuō)明。U0為整流電路輸出的脈動(dòng)電壓，Uc為濾波電路輸出電壓(即濾波電容C上的電壓)。

從波形圖可見(jiàn)，在起始的若干周期內(nèi)，雖然濾波電容C時(shí)而充電、時(shí)而放電，但其電壓Uc的總趨勢(shì)是上升的。經(jīng)過(guò)若干周期以后，電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，每個(gè)周期電容C的充放電情況都相同，即電容C上充電得到的電荷剛好補(bǔ)充了上一次放電放掉的電荷。正是通過(guò)電容器C的充放電，使得輸出電壓保持基本恒定，成為波動(dòng)較小的直流電。濾波電容的容量越大，濾波效果相對(duì)就越好。

電容濾波電路雖然很簡(jiǎn)單，但是濾波效果不是很理想，輸出電壓中仍有交流成分，因此實(shí)際電路中使用較多的是RC濾波電路。

2、電感濾波電路

如果要求負(fù)載電流較大時(shí)，輸出電壓仍較平穩(wěn)，則采用電感濾波電路。電感濾波電路如下圖所示。

電感線圈上的直流阻抗很小，所以脈動(dòng)電壓腫的直流分量很容易通過(guò)電感線圈，幾乎全部到達(dá)負(fù)載。而電感對(duì)交流的阻抗很大，所以脈動(dòng)電壓中的交流分量很難通過(guò)電感線圈，由于電感和負(fù)載串聯(lián)，對(duì)交流分量可看成是一個(gè)分壓器，如果選擇電感的感抗比負(fù)載大很多，那么，交流分量將大部分降在電感上，在負(fù)載上的交流分量就很小了。這樣，就可以將原來(lái)脈動(dòng)較大的直流輸出變?yōu)檩^平穩(wěn)的直流輸出了。濾波后的波形如上圖所示。

如果負(fù)載電阻一定，電感越大，輸出電壓波動(dòng)越小，濾波效果越好。所以電感濾波一般用于負(fù)載變動(dòng)不大，負(fù)載平均電流較大的場(chǎng)合。

3、復(fù)式濾波器

通過(guò)電容濾波或電感濾波，直流輸出或多或少仍有波動(dòng)。在要求較高的場(chǎng)合，為了得到更加平滑的直流可以采用復(fù)式濾波器

1)LC濾波器

電容濾波器適用于負(fù)載較大的場(chǎng)合，而電感濾波器適用于負(fù)載較小的場(chǎng)合，如果把這兩種電路組合起來(lái)，就構(gòu)成了如下圖所示的濾波器，它對(duì)于一般負(fù)載都適用。

在LC濾波器中，脈動(dòng)電壓將經(jīng)過(guò)雙重濾波作用，使交流分量大部分被電感阻止，即使有小部分通過(guò)了電感，還要經(jīng)過(guò)電容C的濾波作用使交流旁路，因此在負(fù)載上的交流分量很小，從而達(dá)到了濾除交流的目的。

2)LC-∏型濾波器電路

LC-∏型濾波器是由C型濾波器和LC濾波器組合而成的，濾波過(guò)程：交流電整流后先經(jīng)C型濾波器濾波，然后再經(jīng)LC濾波器濾波，所以該濾波電路的濾波性能比LC和C型濾波器都要優(yōu)越，在負(fù)載上獲得的電壓將更平滑。

LC-∏型濾波器前面接有電容，所以這種濾波器的外形特征和電容濾波器相似。

3. RC濾波器

在有些場(chǎng)合，如果負(fù)載電流不大，為了減輕重量，降低成本，縮小體積，可將上面兩個(gè)復(fù)式濾波器上的電感用一只電阻來(lái)代替，組成RC型濾波器和RC-∏型濾波器，如下圖所示。

在RC濾波器中，電阻越大濾波效果越好，但電阻上壓降損失也大。一般在小電流的場(chǎng)合，電阻通常取值幾十到幾百歐姆，電容取值幾百微法。

4. 有源濾波電路

利用晶體管的直流放大作用可以構(gòu)成有源濾波電路，如下圖所示。

圖中VT1為有源濾波管，R1是偏置電阻，為VT1提供合適的偏置電流，C2是基極旁路電容，使VT1基極可靠的交流接地，確保基極電流中無(wú)交流成分，C3為輸出端濾波電容。

晶體管的集電極-發(fā)射極電流主要受基極電流的控制，雖然整流電路輸出并加在VT1集電極的是脈動(dòng)直流電壓，其中既有直流分量也有交流分量，但由于C2的旁路濾波作用，VT1的基極電流幾乎沒(méi)有交流分量，從而使VT1對(duì)交流呈現(xiàn)極高的阻抗，在其輸出端(VT1發(fā)射極)得到的就是較純凈的直流電壓。因?yàn)榫w管的發(fā)射極電流是基極電流的若干倍，所以C2的作用相當(dāng)于在輸出端接入了一個(gè)容量為若干倍C2容量的大濾波電容，有源濾波電路具有直流壓降小，濾波效果好的特點(diǎn)，主要應(yīng)用在濾波要求高的場(chǎng)合。

整流后需要加濾波電容，濾波電容的容量根據(jù)用電負(fù)荷的大小來(lái)選取，通常選用幾十微法至幾百微法。有些要求較高的直流電源，還需增設(shè)集成穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓，以取得紋波較小的高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源。濾波電容容量與負(fù)載電流的關(guān)系見(jiàn)下圖，可根據(jù)輸出電流選擇濾波電容的大小。

其次要確定電容的耐壓值，耐壓直選小了，會(huì)因過(guò)電壓而擊穿，選大了會(huì)增加體積和成本，可按照下面公式確定電容的耐壓值。

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